筠连地区晚二叠世乐平组沉积相与煤层气有利层位分析

邹 辰，梅 珏，李金平，周季安，张涵冰

（1.中国石油浙江油田分公司，浙江 杭州310023；2.北京万普隆能源技术有限公司，北京100195）

中国南方二叠纪特殊的沉积古地理格局和丰富多彩的沉积体系类型，是研究沉积环境与聚煤规律的理想场所。前人在关于筠连及邻区晚二叠世地层沉积相与煤层发育规律的研究成果主要集中在沉积相特征及其与烃源岩的关系[1]，沉积体系、沉积相（沉积环境）、古地理、层序地层、旋回曲线与聚煤特征等方面[2-9]，而从沉积相的研究入手总结聚煤规律、并预测有利相带和有利层位来指导煤层气的勘探选区、选层研究工作较少。筠连及邻区为南方典型的多煤层发育区[10-11]，不同煤层的沉积环境、发育规模、分布范围、横向稳定性、顶底板封盖条件及煤岩煤质等的差异导致其具备不同的产气潜力，结合近几年中国南方煤层气的开发实践，主力产气层位的判断对煤层气的高效开发至关重要[12-13]。在筠连上二叠统乐平组煤系地层沉积相分析的基础上，进一步探讨煤层及其与沉积相带的关系，对比不同沉积相的煤层发育的规模、厚度、稳定性以及资源丰度等方面的差异，预测了煤层气勘探开发的主力煤层和有利沉积相带，为该区及邻区煤层气的勘探开发提供参考。

1 区域地质背景

研究区地处云贵川三省交界处，大地构造位置处于上扬子地台的西南缘[14]，研究区构造位置如图1。二叠纪的早期和中期总体为陆表海碳酸盐沉积，中二叠世晚期发生的东吴运动，结束了此前的陆表海环境，伴随着区内大规模峨眉山玄武岩喷发，西侧康滇古陆的隆升，形成了晚二叠世上扬子地台西高东低的古地理面貌和由西向东由陆到海的沉积古地理格局, 其沉积体系自西向东依次为冲积平原河湖-沼泽体系、海岸-潟湖沼泽体系（或三角洲-沼泽体系）、碳酸盐岩台地体系[15]。研究区主要位于冲积平原河湖-沼泽体系和海岸-潟湖沼泽体系。

图1 研究区构造位置图Fig.1 Structure outline map of study area

2 地层划分

上二叠统（乐平统）及其所包括的吴家坪阶和长兴阶均是国际地层界线层型，标志着该层段地层学研究具有良好的年代地层学基础，研究区和邻区上二叠统地层划分沿革图如图2。

图2 研究区和邻区上二叠统地层划分沿革图Fig.2 Stratigraphic subdivision of the upper Permian in study area and the vicinity

吴家坪阶底界以牙形刺带首现为标志，吴家坪阶顶界以牙形刺带为限；长兴阶底界以牙形刺带首现以带首现为标志，长兴阶顶界以牙形刺带为限[16]。筠连地区及邻区主要处于近海平原相区与海岸相区，前人对于研究区晚二叠世岩石地层名称的使用如下：①吴家坪阶下部区内不同程度发育峨眉山玄武岩岩组；②近海平原沉积体系（以碎屑岩和煤系地层为主），采用龙潭组及其内部分段的方案；③早期（吴家坪期）近海平原沉积和晚期（长兴期）海岸相区沉积时，采用早期龙潭组和晚期长兴组的划分方案[17-19]。

研究区晚二叠世岩性为下部峨眉山玄武岩组和中上部碎屑岩和煤系地层，相当于龙潭组的概念。参考浙江油田近年在研究区开展煤层气和页岩气工作中，采用乐平组的术语，并进一步划分为下段和上段，主要居于目前岩石地层单位的使用不太统一，龙潭组在整个华南地区使用，长兴组典型剖面位于浙江长兴县。

3 沉积相类型与沉积演化

3.1 沉积相类型

近海平原相区属于河湖-沼泽沉积体系，包括河流相、湖泊相、沼泽相；海岸相区为碳酸盐岩与碎屑岩混源障壁海岸沉积体系，包括潮坪相、潟湖相、沼泽相。

1）曲河流相。以Y64 井为例，具有明显的二元结构，河道由厚度较大和相对较粗的中砂岩、细砂岩或粉砂岩组成，发育交错层理，在测井响应上表现为伽马值低且曲线平直，呈箱型，密度曲线显示密度大且波动较小，表明砂岩总体比较纯；河漫滩沉积都具有相当的厚度，以灰色或深灰色泥岩或碳质泥岩为主，发育水平层理或煤线，河漫滩沉积与河道沉积在测井响应上具有明显的差别，由于河漫滩沉积总体以泥岩或者碳质泥岩等细粒沉积为主，因此伽马值更高，密度明显偏低，且波动大。沼泽相煤层常位于河漫滩相沉积层之上，测井响应上以“低密度、低伽马、高电阻率”为特征。曲河流沉积相（Y64 井）如图3。

2）湖泊相。以Y65 井为例，总体以细粒的泥岩、页岩和碳质泥岩沉积为主，相对粗粒的粉砂岩和粉砂质泥岩厚度较薄，Y65 井主要由下部单元浅湖亚相和上部单元深湖亚相组成正旋回结构。浅湖沉积以灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩为主；深湖沉积以深灰色泥岩、碳质泥岩和页岩特征。测井特征为：浅湖相沉积表现为低伽马，高密度的特征；而深湖相沉积则与之相反，表现为相对更高的伽马值与更低的密度值，由于岩性变化频繁、单层厚度薄形成测井曲线锯齿状波动频繁的总体面貌。湖泊相沉积（Y65 井）如图4。

图3 曲河流沉积相（Y64 井）Fig.3 Meandering river sedimentary facies (hole Y64)

3）潮坪相和潟湖相。以Y50 井为例，包含潮坪相和潟湖相，并呈现潮坪相与潟湖相交替发育的特征。潮坪相由下部单元潮间带亚相与上部单元潮上带亚相组成，潮间带亚相发育细砂岩、泥质灰岩和灰岩主要标志，潮上带亚相主要发育粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、碳质泥岩为特征。潟湖为细粒沉积，包括泥岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩和煤线，岩性与湖泊相相似，但是垂向上相邻层序为潮坪相和碳酸盐台地相均含海相组分。测井响应上，潟湖相沉积由于主要以细粒沉积为主，其伽马值比潮坪相地层更高。当岩性频繁变化时，伽马曲线呈锯齿状摆动。而由于本井的潮坪沉积主要以致密的砂岩、粉砂岩为主，因此，密度测井上表现为潮坪相密度更高，曲线平直；而潟湖相沉积密度相对更低，且变化更大。煤层则呈现出“低伽马、低密度、高电阻率”的测井响应特征。潮坪相和潟湖相沉积（Y50 井）如图5。

图4 湖泊相沉积（Y65 井）Fig.4 Lake sedimentary facies (hole Y65)

3.2 沉积环境演化

3.2.1 筠连地区晚二叠世沉积环境演化

以筠连地区Y1 井为例，对钻遇的上二叠统地层进行观察。四川筠连地区及邻区晚二叠世沉积环境与煤层分布关系如图6。

共识别出2 类沉积相组合。下段的下部为曲流河相，发育河道、河漫滩2 个亚相，不含煤，二元结构和旋回性明显。河道沉积为灰色、相对粗粒的细砂岩和粉砂岩；河漫滩沉积为灰色、灰黑色泥岩和粉砂质泥岩。该段地层总体以相对粗粒的河道微相沉积为主。

下段的上部演变为曲流河-沼泽相，发育河道、河漫滩和沼泽微相，区内主力煤层C7+C8 煤分布在该段的上部。该段地层河漫滩发育，岩性主体以细粒的灰色、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩、碳质泥岩为主；河道微相发育较少，岩性以灰色细砂岩为主。沼泽微相以煤层分布为特征，发育在河漫滩微相之上，是河漫滩沼泽化后的产物。

上段同样为曲流河-沼泽相，发育河道、河漫滩和沼泽微相，岩性和岩相组合与第三次层序类似。地层总体以河漫滩沉积为主，沼泽微相中沉积了区内主要煤层C2+C3 煤。

图5 潮坪相和潟湖相沉积（Y50 井）Fig.5 Tidal flat and lagoon sedimentary facies (hole Y50)

综上，Y1 井在晚二叠世早期为曲流河沉积环境，无煤层沉积；随着时间的演化，转变为曲流河-沼泽沉积环境，并持续到了晚二叠世的末期，在曲流河-沼泽相中沉积了主力煤层C7+C8 煤、主要煤层C2+C3 煤层以及少量煤线。

3.2.2 邻区沉积环境与沉积体系

四川筠连地区属于川南煤田，地理位置与滇东北煤田、黔西北煤田相邻，同属于上二叠统含煤盆地，蕴藏着丰富的煤炭和煤层气资源。在筠连地区，煤层气开发获得了产量突破，为我国南方唯一的煤层气生产基地，开发的主力层系为乐平组下段的C7+C8 煤层以及乐平组上段的C2+C3 煤层[20]。

结合钻孔岩心观察、野外露头观测以及实测剖面的综合分析发现：四川叙永地区整个乐平组发育2 类沉积相组合，下段为潮坪-潟湖-沼泽相，呈现出潮坪-潟湖到潮坪-潟湖-沼泽的演化趋势；上段为碳酸盐台地相，以厚层、巨厚层的灰岩、泥质灰岩为特征，纵向上体现为海陆过渡相+浅海相组合。叙永小区往西到雄赫东区、洛旺-马河地区，沉积环境发生了明显的变化，乐平组下段自下而上发育河流-湖泊相和河流-湖泊-沼泽相，并呈现出河流-湖泊向河流-湖泊-沼泽演化的趋势；而乐平组上段则演化为潮坪-潟湖-沼泽相，总体体现为陆相+海陆过渡相特征。横向上已经可以明显看到大致由东向西的海水入侵作用，乐平组上下2 段沉积环境都与东部叙永地区相差别。而筠连及以西的小草坝地区，整个乐平组均表现为陆相沉积，发育2 类沉积相组合，分别为河流-湖泊相和河流-湖泊-沼泽相，并呈由河流-湖泊向河流-湖泊-沼泽演化趋势（图6）。

图6 四川筠连地区及邻区晚二叠世沉积环境与煤层分布关系图Fig.6 Map showing the sedimentary facies and coal measures distribution in Junlian and adjacent areas

4 沉积环境与有利层位

综上，筠连及邻区晚二叠世乐平组煤的沉积环境主要可分为2 大类：一类为河流-湖泊-沼泽相，另一类为潮坪-潟湖-沼泽相。对于C7+C8 煤层而言，潮坪-潟湖-沼泽相的煤主要分布在四川叙永及其以东的地区，筠连及其以西的地区成煤环境演化为河流-湖泊-沼泽相。

通过对比不同沉积环境的煤层特征发现：不同沉积环境下煤的规模、厚度、稳定性和煤质等各不相同，导致其具备不同的生烃潜力、保存条件，进而影响煤层气的开发潜力。筠连及邻区河流-沼泽相带的煤层厚度最大、稳定性和煤质最好，同时，由于煤层之上多为厚层的河漫滩细粒沉积，具备良好的保存条件，含气量也相对更高；而潮坪-潟湖-沼泽相带的煤层普遍规模更小、厚度更薄、横向分布更不稳定，煤质相对也更差，生气潜力和吸附能力差于河湖-沼泽沉积体系的煤。因此，有利的沉积相带应为河湖-沼泽沉积体系。同时也发现：小草坝地区煤层虽然也为河湖-沼泽相，但由于靠近西部物源区，成煤条件差，形成厚度薄、横向变化大的不稳定煤层。

通过对研究区及邻区煤层的详细对比，以筠连地区为参考标准统一进行煤层编号得出：数十层煤中，按照煤层发育的规模、厚度、稳定性等条件可明显分为3 个档次。筠连的C7+C8 煤层（对应于黔西的M16 和M18 煤层以及滇东北的C5+C6 煤层组）规模最大、厚度最厚、最为稳定，应为研究区及邻区的主力煤层，产气潜力最好。其次为乐平组上段的C2+C3+C4 煤层，为次一级有利层段。乐平组下段的潮坪-潟湖-沼泽相C9+C10+C11 煤层相对最差（图6），根据晚二叠世沉积环境特征，C9+C10+C11 煤层组更有利的地区位于研究区更靠东的区域。

5 结 论

1）研究区晚二叠世乐平组自下而上，年代地层限于上二叠统吴家坪阶和长兴阶；岩石地层采用乐平组，划分为下段和上段。

2）研究区由西到东处于近海平原相区与海岸相区，近海平原相区属于河湖-沼泽沉积体系，并呈现出从河流-湖泊→河流-湖泊-沼泽的演化趋势；海岸相区为碳酸盐岩与碎屑岩混源障壁海岸沉积体系（包括：潮坪相、潟湖相、沼泽相），并呈现出从潮坪-潟湖→潮坪-潟湖-沼泽的演化趋势。总体呈现出由东向西的海侵过程。

3）煤层是河流、湖泊沼泽化和潮坪、潟湖沼泽化的产物，有利的沉积相带为距离康滇古陆一定距离的河湖-沼泽相。

4）川南的C7+C8 煤层组对应于黔西的M16 和M18 煤层组以及滇东北地区的C5+C6 煤层组，位于乐平组下段的顶部，其为研究区稳定分布、最具煤层气勘探潜力的主力煤层，应为煤层气勘探的最重要的有利层位。